Диссертация (Повышение надежности малоподвижных соединений деталей авиационных двигателей, подверженных в эксплуатации влиянию феттинг-коррозии), страница 2

Вундерлих [13] обратили внимание на образование«фреттинг-коррозии» в заделке при испытаниях на усталость образцов навоздухе, а затем обнаружили и на образцах, погруженных без доступа воздуха впроваренное трансформаторное масло, где содержание кислорода составляло0.0012%.Какправило,механическиехарактеристикитакихокисловсущественно отличаются от соответствующих обычных окислов, применяемыхматериалов деталей.Исследования [8] фреттинг-усталости замковых соединений лопаток ГТД(они будут подробнее рассмотрены в следующих главах) показали, что процессфреттинга наблюдается в широком диапазоне температур, превышающих600°С.

Показано, что прочность замковых соединений лопаток компрессораснижается также и при циклическом нагружении [10,14].Работавыполненанакафедре«Технологияпроектированияипроизводства двигателей летательных аппаратов» ФГБОУ ВПО «МАТИ»РоссийскомгосударственномтехнологическомуниверситетеимениК.Э.Циолковского.Актуальность. Тема является то Актуальной так как, что многиеусталостные разрушения лопаток компрессоров обусловлены зарождениемразрушений в зонах возникновения фреттинга в малоподвижных соединениях(замковые соединения лопаток компрессоров, в зоне напресовки дисков навалы; фланцевые соединения и другие), когда микротрещины образуются взонах контакта поверхностей, образуются концентраторы напряжений в8конечном итоге приводят к усталостным разрушениям.

Влияние фреттинга наусталость недостаточно изучено. Поэтому работа Хаинг Мин с этой точкизрения является весьма актуальной.Проблема предупреждения усталостных разрушений деталей весьмаактуальна для всех отраслей машиностроения, особенно для авиации.Сложность прогнозирования усталостных разрушений деталей связана нетолько с многообразием факторов, влияющих на конструкционную прочностьматериалов:─ с особенностями технологического процесса изготовления деталей;─ условиями эксплуатации;─ применяемыми методами конструирования и расчетов;─ сложностью прогнозирования появления опасного уровня переменныхнапряжений, что относится к специальным задачам.Максимальное сопротивление усталости детали может быть обеспечено:─ оптимизацией форм деталей за счет уменьшения концентрацийнапряжений;─ совершенствованием технологического процесса на всех этапахпроизводства, позволяющим максимально реализовать прочностные свойства,заложенные в применяемом материале;─ учетом на стадии проектирования особенностей эксплуатации деталикак с точки зрения силового воздействия, так и с точки зрения воздействияокружающей среды.Создание конструкций, обладающих высокой несущей способностью,требует значительных затрат на испытания на усталость материалов и натурныхдеталей с привлечением комплексных исследований с участием металлургов,металлофизиков и других специалистов.

Однако эти затраты не идут ни в какоесравнение с теми потерями, которые могут иметь место при разрушениилетательного аппарата.Фреттинг - один из факторов, приводящих к усталостным разрушениям9деталей ГТД. Он возникает в малоподвижных соединениях: замковыхсоединениях лопаток, в болтовых и прессовых соединениях, на площадкахконтакта антивибрационных полок и др.Механизм фреттинга по характерным признакам относится к наиболеесложным по своей природе процессам. Это связано с тем, что, с одной стороны,он включает физико-химические процессы, протекающие в зонах контактадеталей на молекулярном уровне, вследствие чего в зоне реального контактапроисходит окисление разрушенных частиц металлов сопряжѐнных деталей.С другой стороны, процесс фреттинга включает кроме механическогоразрушения и абразивный износ субмикроскопических и макроскопическихобъѐмов поверхностного слоя деталей в зоне контакта.

Эти процессы тесносвязаны между собой, а преобладание того или иного механизма на различныхэтапах и при разных соотношениях параметров процесса может изменяться ипо-разному влиять на сопротивление усталости соединения.Наиболее достоверные сведения о фреттинг-усталости малоподвижныхконструкций дают натурные испытания, но они трудоемки и дороги.Экспериментальный материал, полученный на натурных деталях в широкомдиапазоне температур, дает возможность сделать ряд обобщений, направленныхна совершенствование технологических процессов изготовления деталей и ихконструктивного облика, а также предложить методы прогнозированиясопротивление усталости деталей ГТД с учетом этих факторов в условияхвоздействия переменных нагрузок в процессе эксплуатации.Традиционные методы изучения механизма износа, когда степеньповреждения обычно оценивается по изменениям массы образцов, профиляповерхности контакта, мало пригодны для исследования фреттинга, а тем болеедля прогнозирования влияния степени повреждений зоны контакта деталей нафреттинг-усталость.10Объектом исследования.

Традиционные методы изучения механизмаизноса, когда степень повреждения обычно оценивается по изменениям массыобразцов, профиля поверхности контакта, мало пригодны для исследованияфреттинга, а тем более для прогнозирования влияния степени поврежденийзоны контакта деталей на фреттинг-усталость.Целью диссертационной работы является разработка комплекснойметодикиповышенияэксплуатационнойнадежностималоподвижныхсоединений, в частности лопаток компрессоров авиационных двигателей, сцелью повышения надежности силовой установки летательного аппарата путемразработки и внедрения методики исследования влияния на фреттинг-усталостьмалоподвижных соединений.Для достижения поставленной цели были решены следующие научнотехнические задачи:─ проведѐн анализ разрушения деталей, подвергающихся воздействиюфреттинга;─ определены основные физические параметры влияния процессафреттинга на сопротивление усталости лопаток компрессора;─ предложена физическая модель разрушениядеталей в условияхдействия фреттинга;─ разработана методика и аппаратное обеспечение исследованиязамковых соединений лопаток компрессора при действии фреттинга;─ разработаны научные и конструктивно- технологические рекомендацииповышения сопротивления фреттинг-усталости замковых соединений лопатоккомпрессора из современных конструкционных материалов.Научная новизна и основные положения работы, выносимые назащиту:─ предложена физическая модель разрушения деталей при фреттингкоррозионном воздействии в процессе эксплуатации.─ установлено, что основными параметрами процесса фреттинга11являются:─ амплитуда относительных перемещений сопряженных поверхностей;─ давление в зоне контакта;─ частота циклического смещения сопряженных поверхностей;─ количество циклов нагружения;─ получены зависимости видаи.─ роль технологических методы обработки поверхности хвостовиковлопаток;─ фреттинг-усталости ряда конструкционных материалов;─ предложена комплексная методика испытаний образцов и деталей придействии фреттинга.Металлографическимиисследованиямиобразцов,поврежденныхфреттинг, показано, что очагами разрушения материала, как правило, являютсятрещины, образовавшиеся на локальных участках контакта под действиемнормальных и касательных нагрузок.Научная новизна заключается в создании комплекснойметодикиисследования процесса фреттинга, выполнены на стандартных образцах призаданных амплитуде относительных перемещений и нормальном давленииполучены зависимости влияния предел выносливости поврежденных ототносительной при постоянном значении величины перемещений давления взоне контента и влияния величины давления на придел выносливости припостоянной амплитуде перемещения при постоянной величине давления в зонекантата.амплитуда перемещение -, давление - РФрутинг - это процесс, возникающий при циклическом нагружении взоне локального контакта деталей, образующих между собой прессовое илималоподвижноеперемещенийсоединение.Величинаамплитудыотносительныхв зоне контакта деталей, достаточная для возникновения12процесса, находится в пределах упругих деформаций поверхностного слоядетали.Минимальная амплитуда, при которой наблюдается процесс, может непревышать 100 нм, а при 200...300 мкм и более доминирующим становитсяпроцесс фреттинг-износа.

В то же время степень повреждения поверхностногослоя в зависимости от величинынеоднозначна, так как она определяется нетолько величиной давления в зоне контакта, но и свойствами материалаконтактирующих деталей.Таким образом, начальные усталостные трещины, являясь потенциальноисточниками концентрации напряжений и находясь в зоне локального контактадлительное время, могут либо удаляться абразивными частицами, либоразвиваться до макротрещин или периодически выходить из зоны локальногоконтакта. При этом НДС в этих зонах контакта постоянно изменяется.В зоне контакта при относительных перемещениях сопряженных деталей взависимости от соотношения касательных и нормальных нагрузок могут иметьместо:─ интенсивное разрушение поверхности типа абразивного износа соследами первоначального схватывания материала в виде сглаженных каверн и свыделением у границы контакта значительного количества продуктовокисления поврежденного материала, величина коэффициента трения f приэтом составляет 0,2 ÷ 0,4;─ абразивное разрушение с преобладанием процесса схватывания(грубые каверны, налипание материала) и образование продуктов окисленияпри коэффициенте трения f = 0,4÷0,55:─ схватывание со следами продуктов окисления контактирующихматериалов при коэффициенте трения около f ˃ 0,55.Анализ результатов испытаний на усталость сплавов АК4-1, ВТ8 и стали13Х11Н2ВМФ в условиях фреттинга, а также замковых соединений,выполненных из тех же материалов, показал, что характеристики рассеяния13пределов выносливости в этих условиях остаются постоянными и непревышают значений, определяемых для этих материала при испытаниях наобычную усталость.Научная новизна и практическая значимость выполненной работызаключается в том, что основные данные о физическом механизме процессафреттингаполученыконструкционныхнастандартныхматериалов,образцах,применяемыхдляизготовленныхсовременныхизлопатоккомпрессоров.Поэтому полученные на образцах закономерности влияния основныхпараметров процесса фреттинга А , и р на степень снижения пределавыносливости замковых соединений Кσбудут справедливы и для реальныхдеталей, что было подтверждено испытаниями моделей замковых соединений.Достоверностьрезультатов.Полученныепривыполнениидиссертационной работы результаты обоснованы современными теориямипрочности и применением методов вычислительной математики.Достоверность решения задач в диссертации подтверждена сравнениемчисленныхрезультатовсизвестнымианалитическимирешениямиисопоставлением полученных результатов с результатами других авторов;анализом физического смысла полученных экспериментальных данных.Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались наследующих конференциях и семинарах:1.ХаингМ.,ПавловЮ.И.Оценкасопротивленияусталостиконструкционных материалов в условиях действия фреттинг - коррозии //Двигатель. 2010. № 6. С.20-21.2.Хаинг М., Петухов А.Н., Павлов Ю.И. Прочность замковых соединенийлопатоккомпрессораприциклическомнагружении//Авиационнаяпромышленность. 2011. № 3.